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Departamento de Eletrónica, Telecomunicações e Informática
Curso: [8240] Mestrado Integrado em Engenharia de Computadores e Telemática
Disciplina: [41541] Sistemas Eletrónicos
Ano letivo: 2013/2014
RELATÓRIO
TRABALHO PRATICO II
Análise de circuitos com díodos, análise de portas lógicas, circuitos
lógicos e aplicações de circuitos lógicos com CMOS
Autores: Turma/Bancada:
[68535] Bruno Silva P7 / 7
[68021] Gabriel Viera
[68779] Rui Oliveira
Docente:
Professor Estima de Oliveira
Data:
sexta-feira, 30 de maio de 2014
Sistemas Eletrónicos Página 2 de 21
Resumo
Pretende-se através deste relatório expor sob forma escrita, o nosso desempenho e
objetivos alcançados nas aulas de Sistemas Eletrónicos mais concretamente no trabalho prático 2,
abordando principalmente os seguintes temas: circuitos com díodos, circuitos com portas lógicas
usando o componente CD4007C, circuitos com CMOS, conceito de histerese e de duty-cycle.
Sistemas Eletrónicos Página 3 de 21
Conteúdos
Resumo.....................................................................................................................................................................2
Conteúdos ..............................................................................................................................................................3
1. Introdução ....................................................................................................................................................4
2. Descrição do problema/ Procedimento................................................................................................5
a. Parte I: Análise de circuitos com díodos..................................................................................................5
b. Parte II: Análise de portas lógicas e circuitos lógicos..........................................................................6
c. Parte III: Aplicações de circuitos lógicos CMOS....................................................................................7
3. Aparelhagem e equipamento.................................................................................................................7
4. Resultados....................................................................................................................................................8
a. Parte I: Análise de circuitos com díodos..................................................................................................8
b. Parte II: Análise de portas logicas e circuitos lógicos.......................................................................10
c. Parte III: Aplicações de circuitos lógicos CMOS.................................................................................15
5. Análise dos resultados..........................................................................................................................17
a. Parte I: Análise de circuitos com díodos...............................................................................................17
b. Parte II: Análise de portas lógicas e circuitos lógicos.......................................................................18
c. Parte III: Aplicações de circuitos lógicos CMOS.................................................................................19
6. Conclusão..................................................................................................................................................20
7. Bibliografia ...............................................................................................................................................20
8. Anexos.......................................................................................................................................................21
Sistemas Eletrónicos Página 4 de 21
1. Introdução
Realizado no âmbito da unidade curricular de Sistemas Eletrónicos, pretende-se com este
trabalho prático estudar o comportamento de diferentes circuitos. Os objetivos específicos deste
trabalho são:
 Determinar a característica de um díodo e observar as mesmas no osciloscópio;
 Determinar quais as funções lógicas de vários circuitos lógicos constituídos por: díodo, BJT,
NMOS, PMOS e CMOS;
 Observar a voltage transfer characteristic (VTC) de cada um dos circuitos lógicos;
 Calcular a histerese num circuito integrado CD4093B (contém 4 portas NAND de 2
entradas);
 Calcular o duty-cycle (∂) de um sinal retangular, através do respetivo circuito integrado.
O nosso relatório encontra-se dividido em três secções: na primeira parte apresentamos o estudo
do comportamento de um díodo num circuito e posteriormente observaremos os sinais por ele
gerado. Na segunda parte, concentramo-nos no estudo de funções lógicas de vários circuitos
integrados, como por exemplo constituídos por díodos, BJTs e MOSFETs, e observaremos o VTC de
cada um destes. Por último, estudamos o fenómeno de “histerese” num circuito integrado CD4093B, e
vamos analisar o respetivo duty-cycle numa onda retangular observada a partir do osciloscópio.
Um dos conceitos importantes para a compreensão deste trabalho é a histerese. Entende-se
como histerese o fenómeno conhecido por ser o desvio entre os valores do sinal de saída para o
mesmo valor do sinal de entrada, quando medidos em sentido oposto do ciclo de medição. O cálculo
de histerese é feito pela fórmula: VH = ViH – ViL, ou seja, as entradas só assumem o valor lógico ‘1’
se na entrada se ultrapassar um limiar ViH e, pelo contrário, é necessário um nível inferior a ViL para
atingir o valor lógico ‘0’. Entre ViH e ViL, a porta mantém o estado da transição anterior.
O duty-cycle define-se pela razão entre o período em que o sinal está no nível lógico ‘1’ (TON), e
o período total da onda (T), sendo dado pela seguinte fórmula: ∂ =
𝑇𝑜𝑛
𝑇
× 100%.
Outro conceito importante para este trabalho é o VTC (Voltage Tranfer Characteristic), é
definido como a capacidade de resposta de uma porta, Vout, em relação a voltagem de entrada,
Vin. Por outras palavras é a capacidade do circuito alterar entre 0V e 5V.
Sistemas Eletrónicos Página 5 de 21
Figura 3 Circuito com díodos.
Vin = 10V, 1KHz
2. Descrição do problema/ Procedimento
Pretendemos através deste relatório dar resposta aos problemas que de seguida se apresentam.
a. Parte I: Análise de circuitos com díodos
EXERCÍCIO 1
Pretendia-se determinar a característica 𝑖 − 𝑣 de um díodo. Começámos por observar o
gráfico de 𝑣 𝑜 em função de 𝑣𝑖. Para isso seguimos os seguintes passos:
Figura 1 Procedimento de montagem
a) Montámos o circuito representado na figura 1 (necessitámos de um gerador de sinais, de
uma resistência, de um díodo e de um osciloscópio com 2 canais);
b) Colocámos as pontas de prova do osciloscópio nos pontos indicados na figura 1.
c) Ligámos o osciloscópio no modo 𝑥𝑦
d) Anotámos alguns pares de valores (𝑣𝑖, 𝑣 𝑜) da curva observada.
e) Usando esses valores vamos calcular 𝑖 =
(𝑣 𝑖−𝑣 𝑜)
𝑅
e apresentar um esboço da característica
𝑖1 − 𝑣2 do díodo
EXERCÍCIO 2
Desligámos o modo 𝑥𝑦 do osciloscópio e observámos as formas de
onda de 𝑣𝑖𝑛(𝑡) e 𝑣 𝑜𝑢𝑡(𝑡) que se obtiveram quando a amplitude de 𝑣𝑖𝑛(𝑡) é
0.2V e quando a amplitude de 𝑣𝑖𝑛(𝑡) é 2V. Vamos explicar o funcionamento
do circuito e comparar os resultados das duas situações propostas, justificando as
diferenças.
EXERCÍCIO 3
Uma das aplicações dos díodos é a sua utilização em circuitos
limitadores, ou seja circuitos que tendo uma determinada tensão à entrada
apresentam à saída valores de tensão limitados a um determinado intervalo. O
circuito representado na figura 3 é um exemplo deste tipo de aplicações.
Vamos apresentar os cálculos para o valor de 𝑅1 e de 𝑉𝐷𝐶 de modo
que quando o díodo conduz 𝐼 𝐷 seja no máximo 1mA e 𝑣 𝑜𝑢𝑡 esteja limitado a
1,8V. Apresentaremos também as formas de onda correspondentes.
1 Representa a corrente que atravessa o díodo
2 Representa a tensão aos terminais do díodo ou seja 𝑣 = 𝑣𝑜
Figura 2 Circuito com
díodos, usando uma
fonte alternada
Sistemas Eletrónicos Página 6 de 21
b. Parte II: Análise de portas lógicas e circuitos lógicos
EXERCÍCIO 1
Considerando os seguintes circuitos lógicos.
Figura 4 Circuito com dois
díodos
Figura 5 Circuito com um
transístor BJT e duas
resistências Figura 6 Circuito com
NMOS
Figura 7 Circuito com PMOS
Figura 8 Circuito com NMOS e
PMOS (CMOS)
Figura 9 Circuito com dois
doídos mais condensador
ligado à saída
Figura 10 Circuito com
um transístor BJT e duas
resistências mais
condensador ligado à
saída
Figura 11 Circuito com NMOS
mais condensador ligado à
saida
Figura 12 Circuito com PMOS
mais condensador ligado à
saída
Figura 13 Circuito com
NMOS e PMOS (CMOS)
mais condensador ligado à
saída
Especificações:
VDD = 5V
M1,M2: CD4007
R = 4.7KΩ
T1 = BCD547
D1, D2 = 1N4148
a) Vamos dizer qual a função lógica implementada pelos circuitos anteriores. (Figuras 4 a 8)
b) Observámos o VTC3 de cada um dos circuitos. Para o efeito utilizámos um sinal triangular
que varie entre 0V e VDD com uma frequência de 1kHz.
c) Comparámos as VTC das quatro portas (Figura 4 a 8) observando e explicando as
diferenças.
d) Ligámos um condensador C=10nF à saída de cada circuito e medimos o tempo subida de
cada gate. (Figuras 9 a 13)
e) Comparámos os tempos de propagação de cada porta e verificámos qual era a mais
rápida.
3 Voltage transfer characteristic
Sistemas Eletrónicos Página 7 de 21
c. Parte III: Aplicações de circuitos lógicos CMOS
O circuito integrado CD4093B (que também aparece sob outras designações, vg,
HCF4093B ou MC14093B) contém 4 portas NAND de 2 entradas. Tem a particularidade de as suas
entradas possuírem histerese (VH = ViH – ViL), ou seja, só assumem o nível lógico “1” se na entrada
se ultrapassar um limiar ViH e, pelo contrário, é necessário um nível inferior a ViL para que seja
interpretado como “0”; na zona intermédia, entre ViL e ViH, a porta mantém o estado da transição
anterior. A figura 14 ilustra bem o funcionamento de uma porta inversora com histerese.
Figura 14 Circuito com NAND e resistência Figura 15 Circuito com duas NAND's
Neste trabalho, a alimentação era VDD = +5V e VSS = 0V. Todas as entradas não
utilizadas foram colocadas a VSS.
Regulámos o gerador de modo a obter uma onda triangular entre 0V e +5V, e montámos o
circuito da figura 14, com Vtr = VDD e R = 1 kΩ.
a) Escrevemos a tabela de verdade de um NAND.
b) Com o osciloscópio, determinámos e registámos os valores de ViH e de ViL.
c) Montámos o circuito da figura 15, com Vtr = VDD, R = 1 kΩ, R1 = 100 kΩ e C = 10 nF. O
NAND na saída funciona como “buffer”, impedindo que uma eventual carga à saída altere
os valores das tensões (“0” e “1”) da saída da primeira porta.
i. Verificámos que o circuito funcionou como gerador de onda retangular e registámos o sinal
de saída, bem como o sinal aos terminais de C (V1).
ii. Comparámos a amplitude do sinal V1 com ViH e de ViL. Relacionando V1 com a onda à
saída do primeiro NAND, explicámos o funcionamento do circuito. Verificámos que V1 se
comportava como a saída de um circuito RC passa-baixo e explicaremos porquê.
iii. Medimos e registámos, para V0, ton, T e ∂. Relacionando os valores extremos de V1 com
VDD, explicámos a razão de o duty cycle4 ser diferente de 50%.
iv. Regulámos o gerador de funções de modo a obter uma onda quadrada de baixa
frequência (muito inferior a f do circuito), entre 0V e +5V. Aplicámos este sinal em Vtr.
Registámos a onda de saída e constatámos que construímos um gerador de “bursts”.
3. Aparelhagem e equipamento
Eis alguns dos materiais imprescindíveis neste trabalho prático:
 Placa branca e fios com diferentes tamanhos;
 Resistências de diferentes valores;
 Gerador de sinal (para fontes de correntes alternada);
 Gerador de corrente (para fontes de correte continua);
 Osciloscópio com respetivas pontas de prova;
 Díodos (ver anexo 1), transístor BJT (ver anexo 2) e condensador de 10 nF;
 Circuito integrado 4093B-NAND (ver anexo 3) e CD4007C-MOSFET (ver anexo 4);
4 Duty‐cycle (∂) de um sinal retangular é dado por ∂ = (ton/T) x 100%, sendo T o período do sinal e ton o
tempo a “high”.
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4. Resultados
a. Parte I: Análise de circuitos com díodos
EXERCÍCIO 1
Figura 16 Circuito em placa branca com as pontas de prova
nos locais representados na figura 1
Figura 17 Sinal com osciloscópio em modo XY
𝑣𝑖 𝑣 𝒐
-2 -2
-1 -1
0 0
1 0.46
2 0.6
3 0.65
4 0.67
Pares de valores 𝑣𝑖 , 𝑣 𝒐 do sinal representado na
figura 17
CH1 1 V/div
CH2 1 V/div
Horizontal 1 ms/div
Características do osciloscópio do sinal acima apresentado
EXERCÍCIO 2
Figura 18 Sinal com Vin(t) =0.2V Figura 19 Sinal com Vin(t) = 2V. Sinal mais curto representa
Vout
CH1 0.2 V/div
CH2 0.2 V/div
Horizontal 0.5 ms/div
CH1 1 V/div
CH2 1 V/div
Horizontal 0.5 ms/div
Sistemas Eletrónicos Página 9 de 21
EXERCÍCIO 3
 Cálculo dos valores de 𝑅1 e 𝑣 𝐷𝐶
Dados:
𝑣0 = 1.8𝑉
𝐼 𝐷 = 1𝑚𝐴
𝑅1 =
𝑣𝑖 − 𝑣 𝑜
𝐼 𝐷
=
10 − 1.8
0.001
= 8.2𝑘Ω
𝑣0 = 𝑣 𝐷𝐶 + 𝑣 𝐷 ⟺ 𝑣 𝐷𝐶 = 1.8 − 0.6 = 1.2𝑉
Figura 20 Circuito da figura 3 montado em placa branca
Figura 21 Forma de onda. Sinal de entrada (corrente alternada)
10V , 1KHz
CH1 5 V/div
CH2 5 V/div
Horizontal 0.2 ms/div
Características do osciloscópio do sinal acima apresentado
Sistemas Eletrónicos Página 10 de 21
b. Parte II: Análise de portas logicas e circuitos lógicos
CARACTERISTICAS
CH1 1 V/div
CH2 1 V/div
Horizontal 0.2 ms/div
Escalas do osciloscópio em todos os sinais correspondentes aos circuitos da parte II, com exceção do
circuito com díodos
VDD = 5V
CIRCUITO COM DIODOS
Figura 22 Circuito da figura 4 montado em placa branca. O
sinal de entrada usado neste circuito é de 10V em vez de 5V,
uma vez que se VDD =5V não era possível visualizar o sinal
de saída em que o díodo limita a tensão de saída.
Figura 23 Sinal de entrada e saída do circuito da figura 4 em
osciloscópio. O sinal triangular corresponde ao sinal de
entrada, enquanto que o outro corresponde ao de saída.
Figura 24 VTC do circuito da figura 4. Modo XY.
Figura 25 Sinal de entrada e saída do circuito da figura 9.
Concluímos que com a introdução de um condensador no
circuito da figura 4 na saída não existiram alterações
significativas no sinal.
Tempo de subida: 0,1ms
Figura 26 VTC do circuito figura 9.
CH1 2 V/div
CH2 2 V/div
Horizontal 0.2 ms/div
Características do osciloscópio do sinal acima apresentado
Sistemas Eletrónicos Página 11 de 21
CIRCUITOS COM BJT
Figura 27 Montagem do circuito
Figura 28 VTC do circuito sem condensador
Figura 29 Sinal do circuito sem condensador.
Figura 30 Sinal do circuito com condensador. O sinal
triangular corresponde ao Vin, enquanto que o retangular
corresponde ao sinal de Vout.
Tempo de subida: 0,04ms
Figura 31 VTC do circuito da figura 10
Sistemas Eletrónicos Página 12 de 21
CIRCUITO COM NMOS
Figura 32 Montagem do circuito da figura 6
Figura 33 Sinal do circuito da figura 6. O sinal triangular
corresponde ao sinal de entrada Vin, enquanto que o sinal
retangular corresponde ao Vout.
Figura 34 VTC do circuito da figura 6.
Figura 35 Sinal do circuito da figura 11 (com condensador). O
sinal triangular corresponde ao sinal de entrada Vin,
enquanto que o sinal retangular corresponde ao Vout.
Tempo de subida: 0.16ms
Figura 36 VTC do circuito da figura 11.
Sistemas Eletrónicos Página 13 de 21
Circuito PMOS
Figura 37 Circuito da figura 7 montado em placa branca
Figura 38 Sinal do circuito da figura 7. O sinal triangular
corresponde ao sinal de entrada Vin, enquanto que o sinal
retangular corresponde ao Vout.
Figura 39 VTC do circuito da figura 7
Figura 40 Sinal do circuito da figura 12 (com condensador). O
sinal triangular corresponde ao sinal de entrada Vin,
enquanto que o sinal retangular corresponde ao Vout.
Tempo de subida: 0,12ms
Figura 41 VTC do circuito da figura 12
Sistemas Eletrónicos Página 14 de 21
CIRCUITO COM CMOS
Figura 42 Circuito com CMOS em placa branca
Figura 43 Sinal do circuito da figura 8. O sinal triangular
corresponde ao sinal de entrada Vin, enquanto que o sinal
retangular corresponde ao Vout.
Figura 44 Sinal do circuito da figura 13 (com condensador).
O sinal triangular corresponde ao sinal de entrada Vin,
enquanto que o sinal retangular corresponde ao Vout.
Tempo de subida: 0.04ms
Figura 45VTC do circuito da figura 8 Figura 46 VTC do circuito da figura 13
Sistemas Eletrónicos Página 15 de 21
c. Parte III: Aplicações de circuitos lógicos CMOS
ALÍNEA a)
A B Y
0 0 1
0 1 1
1 0 1
0 0 0
0 – 0.0V 1 – 5.0V
Tabela de verdade de uma NAND
ALÍNEA b)
Figura 47 Circuito da figura 14 em placa branca
Figura 48 Sinal do circuito da figura 14
CH1 1 V/div
CH2 1 V/div
Horizontal 0.2 ms/div
Figura 49 Visualização do ViH no sinal do circuito da figura 14
ViH = 3.0 v
CH1 1 V/div
CH2 1 V/div
Horizontal 0.1 ms/div
Figura 50 Visualização do ViL no sinal do circuito da figura 14
ViL = 2.4 v
CH1 1 V/div
CH2 1 V/div
Horizontal 0.1 ms/div
Sistemas Eletrónicos Página 16 de 21
ALÍNEA c)
Figura 51 Circuito da figura 15 em placa branca
i) Gerador de onda quadrada
Figura 52 Verificação de como o circuito funciona como um
gerador de onda quadrada. CH1 (V1): sinal de carga e descarga
do condensador; CH2 (V0): sinal de saída do circuito.
CH1 1 V/div
CH2 1 V/div
Horizontal 0.5 ms/div
ViH: 4.0V
ViL: 1.3V
Amplitude do sinal de V1: 2.6v
ii) Relacionar V1 com a saída à primeira NAND
Figura 53 CH1 (V1): sinal de carga e descarga do condensador; CH2 (sinal à
saída da primeira NAND) – sinal alternado
CH1 1 V/div
CH2 1 V/div
Horizontal 0.5 ms/div
iii) Registo, para V0, dos valores de Ton e T. (figura 52)
 Ton = 1.4 ms
 T = 2.4 ms
Sistemas Eletrónicos Página 17 de 21
iv) Gerador de “bursts”
Figura 54 Observação da onda de saída aplicando um Vtr entre 0V e +5V (onda quadrada de baixa frequência), originando
um gerador de “bursts”
CH1 1 V/div
CH2 1 V/div
Horizontal 0.5 ms/div
5. Análise dos resultados
a. Parte I: Análise de circuitos com díodos
EXERCÍCIO 1
 Cálculo do i
𝑣𝑖 𝑣 𝑜 𝑖 =
(𝑣𝑖 − 𝑣 𝑜)
𝑅
-2 -2 0
-1 -1 0
0 0 0
1 0.46 0,00054
2 0.6 0,0014
3 0.65 0,00235
4 0.67 0,00333
Característica do díodo: 0.67
EXERCÍCIO 2
O sinal representado na figura 18 corresponde a uma tensão de entrada de 0,2v enquanto
que na figura 19 corresponde a uma tensão de 2V.
Quando aplicado um sinal de entrada menor do que o valor característico do díodo (0.6V)
não se observa qualquer alteração no sinal, portanto conclui-se que o sinal de entrada é igual ao
sinal de saída. Quando subimos a tensão de entrada para 2V o díodo tem uma queda de tensão de
0,6v, limitando assim o circuito.
-0,0005
0
0,0005
0,001
0,0015
0,002
0,0025
0,003
0,0035
-3 -2 -1 0 1
I
vo
Caracteristica do diodo(i-v)
Sistemas Eletrónicos Página 18 de 21
b. Parte II: Análise de portas lógicas e circuitos lógicos
Circuito Porta lógica Tempos de subida com condensador (ms)
Díodos AND 0.1
BJT NOT 0.04
NMOS NOT 0.16
PMOS NOT 0.12
CMOS NAND 0.04
Tabela com indicação das portas logicas e tempo de subida correspondente aos diferentes circuitos.
Através da análise da tabela acima, concluímos que o tempo de subida mais curto
corresponde ao circuito com BJT, com um valor de é 0,04 ms, enquanto que o mais lento corresponde
ao circuito com NMOS. Esperávamos que o BJT fosse o mais rápido, mas ao contrário do previsto, o
tempo de subida do CMOS deu igual ao do BJT. Pensa-se que tal aconteceu devido a erros de
medição nos tempos de subida de cada GATE.
Em relação ao VTC de cada circuito, concluímos que comparando a curva sem condensador
e com condensador é visível que sem o condensador a tensão muda de forma mais acentuada, com
maior declive, enquanto que com o condensador a curva é mais suave, não tem um declive tão
acentuado, devido ao atraso causado pelo condensador. Passando para uma comparação dos VTC
de cada porta, observámos para o circuito dos díodos (figura 24), que a relação entre a entrada e
a saída é linear a partir de 0,7V até atingir VDD onde estabiliza nunca ultrapassando esse valor.
Isto está de acordo com o gráfico da figura 25 onde isto é verificado quando o sinal de entrada
ultrapassa VDD e a saída fica sempre limitada. Para o caso do circuito BJT (figura 31) vimos que a
mudança de nível lógico '1' (5V) para '0' (0V) ocorre bastante rápido, isto é evidente devido ao
declive demonstrado pela sua curva, que mesmo com condensador é o circuito que mais rápido muda
o seu estado, isto já era esperado pelo seu estudo teórico. O circuito PMOS (figura 41), que foi
estudado de seguida, por outro lado é o mais lento a mudar o seu nível lógico. Isto é claramente
visível observando o declive da sua curva, sendo este o menor, em relação aos outros circuitos. O
quarto circuito é o NMOS (figura 36) que embora não tão rápido como BJT é superior ao PMOS,
mais uma vez isto torna-se evidente quando observando e comparando a sua curva com os seus
competidores. Por último temos o CMOS (figura 46) que consegue ter uma velocidade de transição
comparável ao BJT, sem condensador mas que quando adicionado o condensador se assemelha mais
ao NMOS sendo ainda assim superior.
Cada um destes circuitos tem uma curva diferente associada a si próprio, sendo assim a sua
característica de transferência de voltagem (VTC). Observando todas estas características verifica-se
que o BJT é o mais rápido a efetuar as transições, seguido logo atrás pelo CMOS, NMOS, PMOS e
por último os díodos.
Sistemas Eletrónicos Página 19 de 21
c. Parte III: Aplicações de circuitos lógicos CMOS
ALÍNEA c)
ii)
Figura 55 Parte do circuito a analisar (à esquerda). Circuito RC passa baixo (à direita)
Um circuito RC passa baixo é constituído por uma resistência e um condensador, como visto
na figura 55 (à direita). No nosso circuito a resistência R1 e o condensador formam um circuito RC
passa baixo, com a entrada, sendo a saída na primeira NAND e a saída a entrada de
realimentação da primeira NAND também, tal como representado na figura acima (à esquerda).
Como este circuito é um passa baixo se a saída da primeira NAND tiver uma frequência elevada o
suficiente para atingir a frequência de corte o circuito vai começar a "cortar" as frequências até que
a realimentação da primeira NAND fica sempre a 1.
iii)
 Cálculo do duty-cycle (Ton = 1.4 ms ; T = 2.4 ms)
∂ =
𝑇𝑜𝑛
𝑇
x 100 %  ∂ =
1.4
2.4
x 100 %  ∂ = 58.33 %
O duty-cycle é uma relação entre o tempo que o sinal esta com o valor lógico '1' (Ton) e do
período (T). Este valor no nosso exercício é diferente de 50%, uma vez que os valores de ViH e ViL
são diferentes, observa-se que o Ton não é metade do T, isto provoca histerese no circuito. No nosso
caso essa diferença provocou um duty-cycle de aproximadamente 58%.
vi )
Ao aplicar na entrada Vtr um sinal de onda quadrada com frequência muito inferior a f do
circuito, podemos observar na figura 51 que a saída durante o toff se mantém constante e igual a 0,
enquanto que quando o sinal de entrada se encontra a +5V a saída tem um comportamento em que
gera bursts. Quando o sinal de entrada está a 0 é fácil de perceber o valor da saída, uma vez que
observando a tabela da página 15 (NAND) podemos verificar que caso uma entrada seja 0 a saída
é sempre 1 independente da outra entrada, esse sinal ao passar pela segunda NAND que funciona
como inversor vai-se tornar 0, como observado. No caso em que o sinal de entrada está a 1 o
comportamento da primeira NAND vai depender diretamente da outra entrada que vai estar a
variar ficando sempre inversa ao seu estado anterior, ou seja vai gerar os burst sempre que o sinal
troca.
Sistemas Eletrónicos Página 20 de 21
6. Conclusão
Chegado ao final deste relatório, é nossa intenção efetuar uma retrospetiva da evolução do
mesmo, tendo em conta os problemas com que nos deparámos, e principais conclusões retiradas.
Na primeira parte deste trabalho, focámo-nos na determinação do valor característico do
díodo. O nosso resultado foi 0.67. O valor tabelado na literatura encontra-se no intervalo de 0.6-
0.7, assim sendo, podemos concluir que o nosso resultado se encontra no intervalo esperado.
Concluímos também que o díodo utilizado apenas conduz a uma tensão superior a este valor.
Relativamente à segunda parte do trabalho, as portas logicas correspondentes aos circuitos
implementados correspondem ao esperado. No que diz respeito aos tempos de subida dos vários
circuitos, determinados através da curva observada, constatámos que os valores de BJT e CMOS são
os mais baixo. No entanto, era expectável que o valor do CMOS fosse mais elevado. Em relação ao
VTC concluímos que cada um destes circuitos tem uma curva diferente associada a si próprio.
Comparando as curvas de com e sem condensador vemos que sem condensador a curva apresenta
maior declive, pelo contrário com condensador, a curva é menos acentuada devido ao atrasado
causado pelo condensador.
Por fim, na última parte do trabalho, vimos que aplicando um sinal de onda quadrada de baixa
frequência conseguimos construir um gerador de bursts. Além disso, confirmámos que o dutty-cycle é
diferente de 50%, uma vez que, o ViH é diferente do ViL. No circuito representado na figura 15
observámos que a parte inferior deste se comporta como um circuito RC passa baixo.
Este relatório permitiu-nos ainda, uma aprendizagem na manipulação do material laboratorial
necessário à realização do projeto.
7. Bibliografia
[1] P. Fonseca, Guia para a redação de relatórios (19 maio 2014). Universidade de Aveiro [Online]
Available: http://sweet.ua.pt/pf/Documentos/Guia%20redaccao%20relatorios.pdf
[2] J. Navarro, E. Oliveira, Guião do Trabalho Prático II, Elearning da unidade curricular de Sistemas
Eletrónicos, Universidade de Aveiro (19 maio 2014). [Online] Available:
http://elearning.ua.pt/course/view.php?id=728
Sistemas Eletrónicos Página 21 de 21
8. Anexos
Anexo 1-
High-speed diodes
Anexo 2- BC546
NPN Epitaxial Silicon Transistor
Anexo 4 - HEF4093B
Quadruple 2-input NAND Schmitt trigger
Anexo 3- CD4007C
Dual Complementary Pair Plus Inverter

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Relatório Prático - Sistemas Eletrónicos

  • 1. Departamento de Eletrónica, Telecomunicações e Informática Curso: [8240] Mestrado Integrado em Engenharia de Computadores e Telemática Disciplina: [41541] Sistemas Eletrónicos Ano letivo: 2013/2014 RELATÓRIO TRABALHO PRATICO II Análise de circuitos com díodos, análise de portas lógicas, circuitos lógicos e aplicações de circuitos lógicos com CMOS Autores: Turma/Bancada: [68535] Bruno Silva P7 / 7 [68021] Gabriel Viera [68779] Rui Oliveira Docente: Professor Estima de Oliveira Data: sexta-feira, 30 de maio de 2014
  • 2. Sistemas Eletrónicos Página 2 de 21 Resumo Pretende-se através deste relatório expor sob forma escrita, o nosso desempenho e objetivos alcançados nas aulas de Sistemas Eletrónicos mais concretamente no trabalho prático 2, abordando principalmente os seguintes temas: circuitos com díodos, circuitos com portas lógicas usando o componente CD4007C, circuitos com CMOS, conceito de histerese e de duty-cycle.
  • 3. Sistemas Eletrónicos Página 3 de 21 Conteúdos Resumo.....................................................................................................................................................................2 Conteúdos ..............................................................................................................................................................3 1. Introdução ....................................................................................................................................................4 2. Descrição do problema/ Procedimento................................................................................................5 a. Parte I: Análise de circuitos com díodos..................................................................................................5 b. Parte II: Análise de portas lógicas e circuitos lógicos..........................................................................6 c. Parte III: Aplicações de circuitos lógicos CMOS....................................................................................7 3. Aparelhagem e equipamento.................................................................................................................7 4. Resultados....................................................................................................................................................8 a. Parte I: Análise de circuitos com díodos..................................................................................................8 b. Parte II: Análise de portas logicas e circuitos lógicos.......................................................................10 c. Parte III: Aplicações de circuitos lógicos CMOS.................................................................................15 5. Análise dos resultados..........................................................................................................................17 a. Parte I: Análise de circuitos com díodos...............................................................................................17 b. Parte II: Análise de portas lógicas e circuitos lógicos.......................................................................18 c. Parte III: Aplicações de circuitos lógicos CMOS.................................................................................19 6. Conclusão..................................................................................................................................................20 7. Bibliografia ...............................................................................................................................................20 8. Anexos.......................................................................................................................................................21
  • 4. Sistemas Eletrónicos Página 4 de 21 1. Introdução Realizado no âmbito da unidade curricular de Sistemas Eletrónicos, pretende-se com este trabalho prático estudar o comportamento de diferentes circuitos. Os objetivos específicos deste trabalho são:  Determinar a característica de um díodo e observar as mesmas no osciloscópio;  Determinar quais as funções lógicas de vários circuitos lógicos constituídos por: díodo, BJT, NMOS, PMOS e CMOS;  Observar a voltage transfer characteristic (VTC) de cada um dos circuitos lógicos;  Calcular a histerese num circuito integrado CD4093B (contém 4 portas NAND de 2 entradas);  Calcular o duty-cycle (∂) de um sinal retangular, através do respetivo circuito integrado. O nosso relatório encontra-se dividido em três secções: na primeira parte apresentamos o estudo do comportamento de um díodo num circuito e posteriormente observaremos os sinais por ele gerado. Na segunda parte, concentramo-nos no estudo de funções lógicas de vários circuitos integrados, como por exemplo constituídos por díodos, BJTs e MOSFETs, e observaremos o VTC de cada um destes. Por último, estudamos o fenómeno de “histerese” num circuito integrado CD4093B, e vamos analisar o respetivo duty-cycle numa onda retangular observada a partir do osciloscópio. Um dos conceitos importantes para a compreensão deste trabalho é a histerese. Entende-se como histerese o fenómeno conhecido por ser o desvio entre os valores do sinal de saída para o mesmo valor do sinal de entrada, quando medidos em sentido oposto do ciclo de medição. O cálculo de histerese é feito pela fórmula: VH = ViH – ViL, ou seja, as entradas só assumem o valor lógico ‘1’ se na entrada se ultrapassar um limiar ViH e, pelo contrário, é necessário um nível inferior a ViL para atingir o valor lógico ‘0’. Entre ViH e ViL, a porta mantém o estado da transição anterior. O duty-cycle define-se pela razão entre o período em que o sinal está no nível lógico ‘1’ (TON), e o período total da onda (T), sendo dado pela seguinte fórmula: ∂ = 𝑇𝑜𝑛 𝑇 × 100%. Outro conceito importante para este trabalho é o VTC (Voltage Tranfer Characteristic), é definido como a capacidade de resposta de uma porta, Vout, em relação a voltagem de entrada, Vin. Por outras palavras é a capacidade do circuito alterar entre 0V e 5V.
  • 5. Sistemas Eletrónicos Página 5 de 21 Figura 3 Circuito com díodos. Vin = 10V, 1KHz 2. Descrição do problema/ Procedimento Pretendemos através deste relatório dar resposta aos problemas que de seguida se apresentam. a. Parte I: Análise de circuitos com díodos EXERCÍCIO 1 Pretendia-se determinar a característica 𝑖 − 𝑣 de um díodo. Começámos por observar o gráfico de 𝑣 𝑜 em função de 𝑣𝑖. Para isso seguimos os seguintes passos: Figura 1 Procedimento de montagem a) Montámos o circuito representado na figura 1 (necessitámos de um gerador de sinais, de uma resistência, de um díodo e de um osciloscópio com 2 canais); b) Colocámos as pontas de prova do osciloscópio nos pontos indicados na figura 1. c) Ligámos o osciloscópio no modo 𝑥𝑦 d) Anotámos alguns pares de valores (𝑣𝑖, 𝑣 𝑜) da curva observada. e) Usando esses valores vamos calcular 𝑖 = (𝑣 𝑖−𝑣 𝑜) 𝑅 e apresentar um esboço da característica 𝑖1 − 𝑣2 do díodo EXERCÍCIO 2 Desligámos o modo 𝑥𝑦 do osciloscópio e observámos as formas de onda de 𝑣𝑖𝑛(𝑡) e 𝑣 𝑜𝑢𝑡(𝑡) que se obtiveram quando a amplitude de 𝑣𝑖𝑛(𝑡) é 0.2V e quando a amplitude de 𝑣𝑖𝑛(𝑡) é 2V. Vamos explicar o funcionamento do circuito e comparar os resultados das duas situações propostas, justificando as diferenças. EXERCÍCIO 3 Uma das aplicações dos díodos é a sua utilização em circuitos limitadores, ou seja circuitos que tendo uma determinada tensão à entrada apresentam à saída valores de tensão limitados a um determinado intervalo. O circuito representado na figura 3 é um exemplo deste tipo de aplicações. Vamos apresentar os cálculos para o valor de 𝑅1 e de 𝑉𝐷𝐶 de modo que quando o díodo conduz 𝐼 𝐷 seja no máximo 1mA e 𝑣 𝑜𝑢𝑡 esteja limitado a 1,8V. Apresentaremos também as formas de onda correspondentes. 1 Representa a corrente que atravessa o díodo 2 Representa a tensão aos terminais do díodo ou seja 𝑣 = 𝑣𝑜 Figura 2 Circuito com díodos, usando uma fonte alternada
  • 6. Sistemas Eletrónicos Página 6 de 21 b. Parte II: Análise de portas lógicas e circuitos lógicos EXERCÍCIO 1 Considerando os seguintes circuitos lógicos. Figura 4 Circuito com dois díodos Figura 5 Circuito com um transístor BJT e duas resistências Figura 6 Circuito com NMOS Figura 7 Circuito com PMOS Figura 8 Circuito com NMOS e PMOS (CMOS) Figura 9 Circuito com dois doídos mais condensador ligado à saída Figura 10 Circuito com um transístor BJT e duas resistências mais condensador ligado à saída Figura 11 Circuito com NMOS mais condensador ligado à saida Figura 12 Circuito com PMOS mais condensador ligado à saída Figura 13 Circuito com NMOS e PMOS (CMOS) mais condensador ligado à saída Especificações: VDD = 5V M1,M2: CD4007 R = 4.7KΩ T1 = BCD547 D1, D2 = 1N4148 a) Vamos dizer qual a função lógica implementada pelos circuitos anteriores. (Figuras 4 a 8) b) Observámos o VTC3 de cada um dos circuitos. Para o efeito utilizámos um sinal triangular que varie entre 0V e VDD com uma frequência de 1kHz. c) Comparámos as VTC das quatro portas (Figura 4 a 8) observando e explicando as diferenças. d) Ligámos um condensador C=10nF à saída de cada circuito e medimos o tempo subida de cada gate. (Figuras 9 a 13) e) Comparámos os tempos de propagação de cada porta e verificámos qual era a mais rápida. 3 Voltage transfer characteristic
  • 7. Sistemas Eletrónicos Página 7 de 21 c. Parte III: Aplicações de circuitos lógicos CMOS O circuito integrado CD4093B (que também aparece sob outras designações, vg, HCF4093B ou MC14093B) contém 4 portas NAND de 2 entradas. Tem a particularidade de as suas entradas possuírem histerese (VH = ViH – ViL), ou seja, só assumem o nível lógico “1” se na entrada se ultrapassar um limiar ViH e, pelo contrário, é necessário um nível inferior a ViL para que seja interpretado como “0”; na zona intermédia, entre ViL e ViH, a porta mantém o estado da transição anterior. A figura 14 ilustra bem o funcionamento de uma porta inversora com histerese. Figura 14 Circuito com NAND e resistência Figura 15 Circuito com duas NAND's Neste trabalho, a alimentação era VDD = +5V e VSS = 0V. Todas as entradas não utilizadas foram colocadas a VSS. Regulámos o gerador de modo a obter uma onda triangular entre 0V e +5V, e montámos o circuito da figura 14, com Vtr = VDD e R = 1 kΩ. a) Escrevemos a tabela de verdade de um NAND. b) Com o osciloscópio, determinámos e registámos os valores de ViH e de ViL. c) Montámos o circuito da figura 15, com Vtr = VDD, R = 1 kΩ, R1 = 100 kΩ e C = 10 nF. O NAND na saída funciona como “buffer”, impedindo que uma eventual carga à saída altere os valores das tensões (“0” e “1”) da saída da primeira porta. i. Verificámos que o circuito funcionou como gerador de onda retangular e registámos o sinal de saída, bem como o sinal aos terminais de C (V1). ii. Comparámos a amplitude do sinal V1 com ViH e de ViL. Relacionando V1 com a onda à saída do primeiro NAND, explicámos o funcionamento do circuito. Verificámos que V1 se comportava como a saída de um circuito RC passa-baixo e explicaremos porquê. iii. Medimos e registámos, para V0, ton, T e ∂. Relacionando os valores extremos de V1 com VDD, explicámos a razão de o duty cycle4 ser diferente de 50%. iv. Regulámos o gerador de funções de modo a obter uma onda quadrada de baixa frequência (muito inferior a f do circuito), entre 0V e +5V. Aplicámos este sinal em Vtr. Registámos a onda de saída e constatámos que construímos um gerador de “bursts”. 3. Aparelhagem e equipamento Eis alguns dos materiais imprescindíveis neste trabalho prático:  Placa branca e fios com diferentes tamanhos;  Resistências de diferentes valores;  Gerador de sinal (para fontes de correntes alternada);  Gerador de corrente (para fontes de correte continua);  Osciloscópio com respetivas pontas de prova;  Díodos (ver anexo 1), transístor BJT (ver anexo 2) e condensador de 10 nF;  Circuito integrado 4093B-NAND (ver anexo 3) e CD4007C-MOSFET (ver anexo 4); 4 Duty‐cycle (∂) de um sinal retangular é dado por ∂ = (ton/T) x 100%, sendo T o período do sinal e ton o tempo a “high”.
  • 8. Sistemas Eletrónicos Página 8 de 21 4. Resultados a. Parte I: Análise de circuitos com díodos EXERCÍCIO 1 Figura 16 Circuito em placa branca com as pontas de prova nos locais representados na figura 1 Figura 17 Sinal com osciloscópio em modo XY 𝑣𝑖 𝑣 𝒐 -2 -2 -1 -1 0 0 1 0.46 2 0.6 3 0.65 4 0.67 Pares de valores 𝑣𝑖 , 𝑣 𝒐 do sinal representado na figura 17 CH1 1 V/div CH2 1 V/div Horizontal 1 ms/div Características do osciloscópio do sinal acima apresentado EXERCÍCIO 2 Figura 18 Sinal com Vin(t) =0.2V Figura 19 Sinal com Vin(t) = 2V. Sinal mais curto representa Vout CH1 0.2 V/div CH2 0.2 V/div Horizontal 0.5 ms/div CH1 1 V/div CH2 1 V/div Horizontal 0.5 ms/div
  • 9. Sistemas Eletrónicos Página 9 de 21 EXERCÍCIO 3  Cálculo dos valores de 𝑅1 e 𝑣 𝐷𝐶 Dados: 𝑣0 = 1.8𝑉 𝐼 𝐷 = 1𝑚𝐴 𝑅1 = 𝑣𝑖 − 𝑣 𝑜 𝐼 𝐷 = 10 − 1.8 0.001 = 8.2𝑘Ω 𝑣0 = 𝑣 𝐷𝐶 + 𝑣 𝐷 ⟺ 𝑣 𝐷𝐶 = 1.8 − 0.6 = 1.2𝑉 Figura 20 Circuito da figura 3 montado em placa branca Figura 21 Forma de onda. Sinal de entrada (corrente alternada) 10V , 1KHz CH1 5 V/div CH2 5 V/div Horizontal 0.2 ms/div Características do osciloscópio do sinal acima apresentado
  • 10. Sistemas Eletrónicos Página 10 de 21 b. Parte II: Análise de portas logicas e circuitos lógicos CARACTERISTICAS CH1 1 V/div CH2 1 V/div Horizontal 0.2 ms/div Escalas do osciloscópio em todos os sinais correspondentes aos circuitos da parte II, com exceção do circuito com díodos VDD = 5V CIRCUITO COM DIODOS Figura 22 Circuito da figura 4 montado em placa branca. O sinal de entrada usado neste circuito é de 10V em vez de 5V, uma vez que se VDD =5V não era possível visualizar o sinal de saída em que o díodo limita a tensão de saída. Figura 23 Sinal de entrada e saída do circuito da figura 4 em osciloscópio. O sinal triangular corresponde ao sinal de entrada, enquanto que o outro corresponde ao de saída. Figura 24 VTC do circuito da figura 4. Modo XY. Figura 25 Sinal de entrada e saída do circuito da figura 9. Concluímos que com a introdução de um condensador no circuito da figura 4 na saída não existiram alterações significativas no sinal. Tempo de subida: 0,1ms Figura 26 VTC do circuito figura 9. CH1 2 V/div CH2 2 V/div Horizontal 0.2 ms/div Características do osciloscópio do sinal acima apresentado
  • 11. Sistemas Eletrónicos Página 11 de 21 CIRCUITOS COM BJT Figura 27 Montagem do circuito Figura 28 VTC do circuito sem condensador Figura 29 Sinal do circuito sem condensador. Figura 30 Sinal do circuito com condensador. O sinal triangular corresponde ao Vin, enquanto que o retangular corresponde ao sinal de Vout. Tempo de subida: 0,04ms Figura 31 VTC do circuito da figura 10
  • 12. Sistemas Eletrónicos Página 12 de 21 CIRCUITO COM NMOS Figura 32 Montagem do circuito da figura 6 Figura 33 Sinal do circuito da figura 6. O sinal triangular corresponde ao sinal de entrada Vin, enquanto que o sinal retangular corresponde ao Vout. Figura 34 VTC do circuito da figura 6. Figura 35 Sinal do circuito da figura 11 (com condensador). O sinal triangular corresponde ao sinal de entrada Vin, enquanto que o sinal retangular corresponde ao Vout. Tempo de subida: 0.16ms Figura 36 VTC do circuito da figura 11.
  • 13. Sistemas Eletrónicos Página 13 de 21 Circuito PMOS Figura 37 Circuito da figura 7 montado em placa branca Figura 38 Sinal do circuito da figura 7. O sinal triangular corresponde ao sinal de entrada Vin, enquanto que o sinal retangular corresponde ao Vout. Figura 39 VTC do circuito da figura 7 Figura 40 Sinal do circuito da figura 12 (com condensador). O sinal triangular corresponde ao sinal de entrada Vin, enquanto que o sinal retangular corresponde ao Vout. Tempo de subida: 0,12ms Figura 41 VTC do circuito da figura 12
  • 14. Sistemas Eletrónicos Página 14 de 21 CIRCUITO COM CMOS Figura 42 Circuito com CMOS em placa branca Figura 43 Sinal do circuito da figura 8. O sinal triangular corresponde ao sinal de entrada Vin, enquanto que o sinal retangular corresponde ao Vout. Figura 44 Sinal do circuito da figura 13 (com condensador). O sinal triangular corresponde ao sinal de entrada Vin, enquanto que o sinal retangular corresponde ao Vout. Tempo de subida: 0.04ms Figura 45VTC do circuito da figura 8 Figura 46 VTC do circuito da figura 13
  • 15. Sistemas Eletrónicos Página 15 de 21 c. Parte III: Aplicações de circuitos lógicos CMOS ALÍNEA a) A B Y 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 – 0.0V 1 – 5.0V Tabela de verdade de uma NAND ALÍNEA b) Figura 47 Circuito da figura 14 em placa branca Figura 48 Sinal do circuito da figura 14 CH1 1 V/div CH2 1 V/div Horizontal 0.2 ms/div Figura 49 Visualização do ViH no sinal do circuito da figura 14 ViH = 3.0 v CH1 1 V/div CH2 1 V/div Horizontal 0.1 ms/div Figura 50 Visualização do ViL no sinal do circuito da figura 14 ViL = 2.4 v CH1 1 V/div CH2 1 V/div Horizontal 0.1 ms/div
  • 16. Sistemas Eletrónicos Página 16 de 21 ALÍNEA c) Figura 51 Circuito da figura 15 em placa branca i) Gerador de onda quadrada Figura 52 Verificação de como o circuito funciona como um gerador de onda quadrada. CH1 (V1): sinal de carga e descarga do condensador; CH2 (V0): sinal de saída do circuito. CH1 1 V/div CH2 1 V/div Horizontal 0.5 ms/div ViH: 4.0V ViL: 1.3V Amplitude do sinal de V1: 2.6v ii) Relacionar V1 com a saída à primeira NAND Figura 53 CH1 (V1): sinal de carga e descarga do condensador; CH2 (sinal à saída da primeira NAND) – sinal alternado CH1 1 V/div CH2 1 V/div Horizontal 0.5 ms/div iii) Registo, para V0, dos valores de Ton e T. (figura 52)  Ton = 1.4 ms  T = 2.4 ms
  • 17. Sistemas Eletrónicos Página 17 de 21 iv) Gerador de “bursts” Figura 54 Observação da onda de saída aplicando um Vtr entre 0V e +5V (onda quadrada de baixa frequência), originando um gerador de “bursts” CH1 1 V/div CH2 1 V/div Horizontal 0.5 ms/div 5. Análise dos resultados a. Parte I: Análise de circuitos com díodos EXERCÍCIO 1  Cálculo do i 𝑣𝑖 𝑣 𝑜 𝑖 = (𝑣𝑖 − 𝑣 𝑜) 𝑅 -2 -2 0 -1 -1 0 0 0 0 1 0.46 0,00054 2 0.6 0,0014 3 0.65 0,00235 4 0.67 0,00333 Característica do díodo: 0.67 EXERCÍCIO 2 O sinal representado na figura 18 corresponde a uma tensão de entrada de 0,2v enquanto que na figura 19 corresponde a uma tensão de 2V. Quando aplicado um sinal de entrada menor do que o valor característico do díodo (0.6V) não se observa qualquer alteração no sinal, portanto conclui-se que o sinal de entrada é igual ao sinal de saída. Quando subimos a tensão de entrada para 2V o díodo tem uma queda de tensão de 0,6v, limitando assim o circuito. -0,0005 0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 0,0025 0,003 0,0035 -3 -2 -1 0 1 I vo Caracteristica do diodo(i-v)
  • 18. Sistemas Eletrónicos Página 18 de 21 b. Parte II: Análise de portas lógicas e circuitos lógicos Circuito Porta lógica Tempos de subida com condensador (ms) Díodos AND 0.1 BJT NOT 0.04 NMOS NOT 0.16 PMOS NOT 0.12 CMOS NAND 0.04 Tabela com indicação das portas logicas e tempo de subida correspondente aos diferentes circuitos. Através da análise da tabela acima, concluímos que o tempo de subida mais curto corresponde ao circuito com BJT, com um valor de é 0,04 ms, enquanto que o mais lento corresponde ao circuito com NMOS. Esperávamos que o BJT fosse o mais rápido, mas ao contrário do previsto, o tempo de subida do CMOS deu igual ao do BJT. Pensa-se que tal aconteceu devido a erros de medição nos tempos de subida de cada GATE. Em relação ao VTC de cada circuito, concluímos que comparando a curva sem condensador e com condensador é visível que sem o condensador a tensão muda de forma mais acentuada, com maior declive, enquanto que com o condensador a curva é mais suave, não tem um declive tão acentuado, devido ao atraso causado pelo condensador. Passando para uma comparação dos VTC de cada porta, observámos para o circuito dos díodos (figura 24), que a relação entre a entrada e a saída é linear a partir de 0,7V até atingir VDD onde estabiliza nunca ultrapassando esse valor. Isto está de acordo com o gráfico da figura 25 onde isto é verificado quando o sinal de entrada ultrapassa VDD e a saída fica sempre limitada. Para o caso do circuito BJT (figura 31) vimos que a mudança de nível lógico '1' (5V) para '0' (0V) ocorre bastante rápido, isto é evidente devido ao declive demonstrado pela sua curva, que mesmo com condensador é o circuito que mais rápido muda o seu estado, isto já era esperado pelo seu estudo teórico. O circuito PMOS (figura 41), que foi estudado de seguida, por outro lado é o mais lento a mudar o seu nível lógico. Isto é claramente visível observando o declive da sua curva, sendo este o menor, em relação aos outros circuitos. O quarto circuito é o NMOS (figura 36) que embora não tão rápido como BJT é superior ao PMOS, mais uma vez isto torna-se evidente quando observando e comparando a sua curva com os seus competidores. Por último temos o CMOS (figura 46) que consegue ter uma velocidade de transição comparável ao BJT, sem condensador mas que quando adicionado o condensador se assemelha mais ao NMOS sendo ainda assim superior. Cada um destes circuitos tem uma curva diferente associada a si próprio, sendo assim a sua característica de transferência de voltagem (VTC). Observando todas estas características verifica-se que o BJT é o mais rápido a efetuar as transições, seguido logo atrás pelo CMOS, NMOS, PMOS e por último os díodos.
  • 19. Sistemas Eletrónicos Página 19 de 21 c. Parte III: Aplicações de circuitos lógicos CMOS ALÍNEA c) ii) Figura 55 Parte do circuito a analisar (à esquerda). Circuito RC passa baixo (à direita) Um circuito RC passa baixo é constituído por uma resistência e um condensador, como visto na figura 55 (à direita). No nosso circuito a resistência R1 e o condensador formam um circuito RC passa baixo, com a entrada, sendo a saída na primeira NAND e a saída a entrada de realimentação da primeira NAND também, tal como representado na figura acima (à esquerda). Como este circuito é um passa baixo se a saída da primeira NAND tiver uma frequência elevada o suficiente para atingir a frequência de corte o circuito vai começar a "cortar" as frequências até que a realimentação da primeira NAND fica sempre a 1. iii)  Cálculo do duty-cycle (Ton = 1.4 ms ; T = 2.4 ms) ∂ = 𝑇𝑜𝑛 𝑇 x 100 %  ∂ = 1.4 2.4 x 100 %  ∂ = 58.33 % O duty-cycle é uma relação entre o tempo que o sinal esta com o valor lógico '1' (Ton) e do período (T). Este valor no nosso exercício é diferente de 50%, uma vez que os valores de ViH e ViL são diferentes, observa-se que o Ton não é metade do T, isto provoca histerese no circuito. No nosso caso essa diferença provocou um duty-cycle de aproximadamente 58%. vi ) Ao aplicar na entrada Vtr um sinal de onda quadrada com frequência muito inferior a f do circuito, podemos observar na figura 51 que a saída durante o toff se mantém constante e igual a 0, enquanto que quando o sinal de entrada se encontra a +5V a saída tem um comportamento em que gera bursts. Quando o sinal de entrada está a 0 é fácil de perceber o valor da saída, uma vez que observando a tabela da página 15 (NAND) podemos verificar que caso uma entrada seja 0 a saída é sempre 1 independente da outra entrada, esse sinal ao passar pela segunda NAND que funciona como inversor vai-se tornar 0, como observado. No caso em que o sinal de entrada está a 1 o comportamento da primeira NAND vai depender diretamente da outra entrada que vai estar a variar ficando sempre inversa ao seu estado anterior, ou seja vai gerar os burst sempre que o sinal troca.
  • 20. Sistemas Eletrónicos Página 20 de 21 6. Conclusão Chegado ao final deste relatório, é nossa intenção efetuar uma retrospetiva da evolução do mesmo, tendo em conta os problemas com que nos deparámos, e principais conclusões retiradas. Na primeira parte deste trabalho, focámo-nos na determinação do valor característico do díodo. O nosso resultado foi 0.67. O valor tabelado na literatura encontra-se no intervalo de 0.6- 0.7, assim sendo, podemos concluir que o nosso resultado se encontra no intervalo esperado. Concluímos também que o díodo utilizado apenas conduz a uma tensão superior a este valor. Relativamente à segunda parte do trabalho, as portas logicas correspondentes aos circuitos implementados correspondem ao esperado. No que diz respeito aos tempos de subida dos vários circuitos, determinados através da curva observada, constatámos que os valores de BJT e CMOS são os mais baixo. No entanto, era expectável que o valor do CMOS fosse mais elevado. Em relação ao VTC concluímos que cada um destes circuitos tem uma curva diferente associada a si próprio. Comparando as curvas de com e sem condensador vemos que sem condensador a curva apresenta maior declive, pelo contrário com condensador, a curva é menos acentuada devido ao atrasado causado pelo condensador. Por fim, na última parte do trabalho, vimos que aplicando um sinal de onda quadrada de baixa frequência conseguimos construir um gerador de bursts. Além disso, confirmámos que o dutty-cycle é diferente de 50%, uma vez que, o ViH é diferente do ViL. No circuito representado na figura 15 observámos que a parte inferior deste se comporta como um circuito RC passa baixo. Este relatório permitiu-nos ainda, uma aprendizagem na manipulação do material laboratorial necessário à realização do projeto. 7. Bibliografia [1] P. Fonseca, Guia para a redação de relatórios (19 maio 2014). Universidade de Aveiro [Online] Available: http://sweet.ua.pt/pf/Documentos/Guia%20redaccao%20relatorios.pdf [2] J. Navarro, E. Oliveira, Guião do Trabalho Prático II, Elearning da unidade curricular de Sistemas Eletrónicos, Universidade de Aveiro (19 maio 2014). [Online] Available: http://elearning.ua.pt/course/view.php?id=728
  • 21. Sistemas Eletrónicos Página 21 de 21 8. Anexos Anexo 1- High-speed diodes Anexo 2- BC546 NPN Epitaxial Silicon Transistor Anexo 4 - HEF4093B Quadruple 2-input NAND Schmitt trigger Anexo 3- CD4007C Dual Complementary Pair Plus Inverter